角度傳感器在低速風(fēng)洞中的校準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)

一、引言

　　航空航天領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用傳感器技術(shù)，在飛機(jī)和導(dǎo)彈等飛行器表面采用壓差歸零式和風(fēng)標(biāo)對(duì)向式兩種角度傳感器便是一例。飛行員借助安裝在飛機(jī)表面的角度傳感器可以隨時(shí)了解飛行姿態(tài)。同樣，地面操縱人員通過對(duì)安裝在飛行器表面的角度傳感器隨時(shí)獲得高空飛行器的飛行姿態(tài)信息，及時(shí)遙控引導(dǎo)。然而，由于氣流受到了飛行器本體的干擾影響，角度傳感器所感受到的局部氣流方向是被飛行器外形表面彎曲了的，與飛行器真實(shí)姿態(tài)角是不相同的，因此必須預(yù)先確定傳感器感受到局部氣流方向與飛行器真實(shí)角度兩者之間的相互關(guān)系，才能獲得飛行器的實(shí)際姿態(tài)角，因此，需要對(duì)傳感器進(jìn)行風(fēng)洞校準(zhǔn)測(cè)量。

　　二、傳感器工作原理

　　目前，飛行器上使用比較普遍的是壓差歸零式和風(fēng)標(biāo)對(duì)向式兩種角度傳感器。

　　壓差歸零式角度傳感器外形結(jié)構(gòu)見圖1，其工作原理是利用壓差歸零特性。傳感器由一個(gè)電位計(jì)和一個(gè)隨時(shí)跟蹤氣流轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)壓探頭構(gòu)成，測(cè)壓探頭上開有兩排氣槽，氣流由氣槽通過兩個(gè)通道作用到內(nèi)部?jī)蓪?duì)相反的葉面上，產(chǎn)生一個(gè)與氣流方向相反的反饋力矩，使探頭追隨氣流轉(zhuǎn)動(dòng)至兩排氣槽壓力相等，即壓差為零的初始位置，此時(shí)與探頭同軸連接的電刷在電位計(jì)上產(chǎn)生角位移，輸出與氣流方向變化成正比的電信號(hào)。

　　風(fēng)標(biāo)對(duì)向式角度傳感器外形結(jié)構(gòu)見圖2，工作原理是利用風(fēng)標(biāo)對(duì)氣流的對(duì)向特性。傳感器包括一個(gè)電位計(jì)和一個(gè)隨時(shí)跟蹤氣流轉(zhuǎn)動(dòng)的方向風(fēng)標(biāo)。當(dāng)飛行器姿態(tài)角變化時(shí)，風(fēng)標(biāo)相對(duì)氣流方向隨之變化，產(chǎn)生一個(gè)與飛行器角度變化相反的角位移。風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)軸與電位計(jì)同軸連接，因此，風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與電位計(jì)輸出電壓信號(hào)成正比，由此可以確定角度傳感器感受到的氣流方向與飛行器實(shí)際角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。安裝在飛行器左側(cè)用于測(cè)量飛行迎角的傳感器稱為迎角傳感器；安裝在飛行器正上方用于測(cè)量飛行側(cè)滑角的稱為側(cè)滑角度傳感器。

　　三、試驗(yàn)設(shè)備

　　傳感器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)是在航天科技集團(tuán)公司笫701研究所低速風(fēng)洞中進(jìn)行的。該座風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為3m?3m?12m，試驗(yàn)風(fēng)速在10~100m/s之間無級(jí)調(diào)速。風(fēng)洞備有計(jì)算機(jī)控制的多自由度變角度系統(tǒng)，可以方便地模擬飛行器不同迎角、側(cè)滑角狀態(tài)，并且實(shí)時(shí)處理測(cè)試數(shù)據(jù)和繪制曲線。

　　四、校準(zhǔn)項(xiàng)目與方法

　　1、校準(zhǔn)項(xiàng)目

　　校準(zhǔn)項(xiàng)目主要包括兩部分，首先在地面進(jìn)行的靜校，以及隨后在風(fēng)洞中進(jìn)行的動(dòng)校。前者是確定傳感器系數(shù)以及非線性、遲滯、重復(fù)性、綜合精度等產(chǎn)品性能參數(shù)，后者是確定角度傳感器與飛行器實(shí)際角度之間關(guān)系，其中包括飛行器不同姿態(tài)角，如迎角、側(cè)滑角、滾轉(zhuǎn)角等對(duì)傳感器校準(zhǔn)的影響。同時(shí)還可確定不同試驗(yàn)風(fēng)速和傳感器安裝位置對(duì)傳感器校準(zhǔn)的影響，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)達(dá)到優(yōu)選傳感器安裝位置的目的。

　　2、校準(zhǔn)方法

　　傳感器靜校是屬于常規(guī)方法，它的性能參數(shù)通常在產(chǎn)品使用說明書中提供。本文著重介紹在風(fēng)洞中動(dòng)校方法及其結(jié)果。

　　首先把飛行器安裝在風(fēng)洞支撐機(jī)構(gòu)上，將飛行器姿態(tài)角（如迎角、側(cè)滑角、滾轉(zhuǎn)角等）都調(diào)整到零度，誤差在3′以內(nèi)。在飛行器左側(cè)為迎角傳感器，在飛行器正上方為側(cè)滑角度傳感器。傳感器轉(zhuǎn)軸要垂直飛行器表面，且傳感器底座表面與飛行器表面外形保持一致，不能有突起或凹坑。傳感器不要安裝在表面曲率變化大的機(jī)頭（或彈頭）處，應(yīng)在機(jī)身（或彈身）平直段前部位置。圖3、圖4是安裝在彈體上的角度傳感器在風(fēng)洞中的校準(zhǔn)照片。

　　五、數(shù)據(jù)處理

　　迎角傳感器和側(cè)滑角傳感器數(shù)據(jù)處理方法是相同的，下面以迎角傳感器為例說明。

　　在進(jìn)行風(fēng)洞校準(zhǔn)時(shí)，可以得到飛行器真實(shí)迎角at與傳感器輸出電壓Ua的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即：at＝F(Ua)

　　用反函數(shù)表示：Ua＝F-1(at)

　　傳感器角位移as與輸出電壓Ua關(guān)系式由靜校時(shí)確定：as＝f（Ua），

　　則傳感器角位移與飛行器真實(shí)迎角關(guān)系式為∶as＝f(F-1(at))＝F(at)。

　　校測(cè)表明，在一定角度范圍內(nèi)，函數(shù)f(x)和F(x)都是線性函數(shù)，因而函數(shù)F(x)也必定成線性規(guī)律變化，于是可以用直線方程來表示∶

　　as＝Kaat+a0 (1)

　　根據(jù)傳感器靜校實(shí)驗(yàn)得：as＝Wa（Ua－Ua0） (2)

　　六、校測(cè)結(jié)果

　　1、風(fēng)速影響

　　風(fēng)洞校準(zhǔn)試驗(yàn)風(fēng)速V為50m/s和85m/s，在某一導(dǎo)彈上測(cè)量結(jié)果見表1。可以看到，試驗(yàn)風(fēng)速對(duì)角度傳感器校準(zhǔn)無影響。

　　表1 風(fēng)速影響

　　2、側(cè)滑角的影響

　　不同側(cè)滑角對(duì)迎角傳感器的影響見表2。從表中可以看到，隨側(cè)滑角增加，迎角傳感器校準(zhǔn)曲線斜率Ka呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，但變化量很小。

　　表2 側(cè)滑角對(duì)迎角傳感器的影響

　　3、迎角的影響

　　迎角不同時(shí)對(duì)側(cè)滑角傳感器的影響見表3。從表中可以看到，隨迎角增加，側(cè)滑角傳感器校準(zhǔn)曲線斜率Kb呈現(xiàn)遞增變化規(guī)律，但變化量不大。

　　表3 迎角對(duì)側(cè)滑角傳感器的影響

　　4、安裝角影響

　　在某一飛行器上進(jìn)行測(cè)量，安裝角q分別為0°、5°、10°三種狀態(tài)，結(jié)果見表4。從表中可以看到，隨安裝角增加，校準(zhǔn)擬合直線斜率Ka、Kb均呈增加趨勢(shì)。根據(jù)多次重復(fù)測(cè)量表明，q=0° 時(shí)，數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，特別是截距基本保持不變。因此安裝角q=0°是最佳方案。

　　表4 安裝角影響

　　5、安裝位置影響

　　把傳感器從彈身前部平直段前移到頭部錐段。在不同側(cè)滑角時(shí)迎角傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果見表5和圖5。在不同迎角時(shí)側(cè)滑角度傳感器校準(zhǔn)結(jié)果見表6。

　　表5 側(cè)滑角對(duì)迎角傳感器的影響(在圓錐段)

　　表6 迎角對(duì)側(cè)滑度度傳感器的影響(在圓錐段)

根據(jù)表5、表6校準(zhǔn)結(jié)果表明，角度傳感器不宜安裝在曲率變化較大的飛行器圓錐段頭部，否則，在不同姿態(tài)角下，校準(zhǔn)直線斜率和截距均發(fā)生很大變化。

　　七、結(jié)論

　　（1）無論是壓差式角度傳感器或風(fēng)標(biāo)式角度傳感器，在一定角度范圍內(nèi)，角位移與輸出電壓具有良好線性。

　　（2）動(dòng)校表明，傳感器性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，校準(zhǔn)直線斜率誤差為±0.002, 截距誤差為±0.1°。

　?。?）飛機(jī)、導(dǎo)彈姿態(tài)角變化，對(duì)傳感器校準(zhǔn)曲線特性（斜率、截距）有影響，采用計(jì)算機(jī)可進(jìn)行逐次疊代修正, 最終給出準(zhǔn)確的飛行器迎角和然角。

　　（3）試驗(yàn)風(fēng)速大小對(duì)角度傳感器校準(zhǔn)無影響，即與飛行速度大小無關(guān)，這給使用帶來方便。

　?。?）傳感器要安裝在飛行器左側(cè)(或右)和正上方處，且在機(jī)身或彈身前部平直段，不要安裝在曲率變化大的頭部錐段。

　?。?）傳感器校準(zhǔn)直線的截距是由傳感器機(jī)械零位決定的。如果把飛行器初始角度都調(diào)到零度，然后調(diào)試傳感器安裝初始角，使輸出信號(hào)很小，從而截距很小, 以至截距可以忽略不計(jì)。

　?。?）壓差式角度傳感器測(cè)量范圍為±30°。風(fēng)標(biāo)式角度傳感器為±120°之間。前者校準(zhǔn)角度小的原因是在飛行器角度大時(shí)而成為“盲區(qū)”，因?yàn)闅獠廴菀仔D(zhuǎn)到背風(fēng)面，此時(shí)對(duì)氣流方向不敏感。